[发明专利]一种用于高速开关阀电磁铁优化的多场耦合电磁仿真方法

说明书

本发明涉及一种用于高速开关阀电磁铁优化的多场耦合电磁仿真方法。该方法根据高速开关阀的性能目标设计电磁铁基本结构，构建有限元仿真模型，将模型中的线圈激励与实际驱动电路耦合，电磁热特性与材料温升特性耦合，并通过全局微分方程，将流场力等外部力模型与有限元计算的电磁力结合起来求解衔铁运动状态；根据铁磁材料试件的实际磁滞回线求解Jiles‑Atherton磁滞模型参数，从而设置有限元模型磁滞特性；运用参数化扫描分析参数对电磁铁性能的影响。本发明考虑了软磁材料的真实磁滞特性，结合多场耦合方法实现更准确的电磁仿真，有效解决了高速开关阀中高速电磁铁的设计优化问题。

技术领域

本发明属于电磁仿真技术领域，涉及一种用于高速开关阀电磁铁优化的多场耦合电磁仿真方法，用于研究高速开关阀中电磁铁的性能，可用于仿真电磁铁的瞬态特性，研究电磁铁的激励策略、结构参数、电气组件等因素对电磁铁性能的影响，模拟电磁铁中电磁场场值与分布、衔铁动作过程、电流瞬态过程、电磁铁损耗等动态过程。

背景技术

我国的高端液压元件制造在智能装备制造领域处于被国外发达国家卡脖子的现状，尤其是高速开关阀的性能亟待提升。一方面，高速开关阀应用在航天航空矢量助推系统、汽车发动系统及燃油喷射器、飞机起落架等高技术领域，难以达到在高温、高压等极端恶劣环境和微小空间内具有高性能、高稳定性、高效率等极限要求。另一方面，在数字化向智能化发展的总体转型之下，当前智能液压领域对小尺寸高速开关阀高频响性能的迫切需求。

电磁式高速开关阀的工作原理是励磁线圈在脉冲电压激励下，将转换器的磁路结构磁化，衔铁产生电磁吸力，使得衔铁带动阀芯产生高速正、反向的直线运动，以此来实现阀口液流通断。与其他控制阀相比，高速开关阀无需数模转换就能实现数字化的电液控制。由于在狭小空间下难以保证数字阀的高频性能的问题以及流量和频响之间的兼顾问题。目前，国内外对此研究主要集中在这五点：一是对电磁铁(电-机械转换器)磁路结构的研发创新；二是对流道结构的优化设计；三是新型磁路结构材料的研制；四是电驱动控制策略的研究；五是液压系统级的控制和应用。

21世纪以来，国内外多家机构对电磁高速开关阀建立物理模型进行了重点研究。意大利博洛尼亚大学分别建立了电磁阀的运动模型和电磁驱动模型，分析了机械动力学和电磁性能的关系，但并未考虑电磁阀热和物理场之间的耦合问题；针对电磁耦合问题，上海交通大学的许仰曾团队在研究柴油喷射器用电磁高速开关阀时提出了一种电-磁-机-液耦合问题的方法，建立了非线性的耦合微分方程组，并进一步考虑到磁饱和、涡流等问题；奥本大学和韩国测试实验室Jackson等人合作建立了电磁阀的多物理综合理论模型，考虑了电磁、热力学和固体力学的耦合效应。能够对由于元件热膨胀引起的电磁阀内部应力、应变进行预测，从而降低了线圈短路、电阻降低等故障率。

针对电磁阀多物理耦合的非线性问题，北航大学刘艳芳等人建立了比例电磁阀的多域非线性动力学模型。研究了电磁-机械的等效回路和流体系统，包括它们之间的相互作用，以非线性状态空间的形式导出了阀的控制方程。验证了仿真模型的偏差小于15％，用于比例电磁阀的结构设计和控制算法优化；吉林大学李寿涛等人在MATLAB中建立了非线性数学模型，子模型包括电路、电磁和机械系统三个部分，分析了弹簧刚度和预紧力、运动件质量、线圈匝数等结构因素对高速开关阀响应的影响，对磁路结构等参数的优化提高了电液制动系统的响应特性和制动压力的精度控制。